[论文解读] Antenna Gain and Link Budget for Waves Carrying Orbital Angular Momentum (OAM)

Duy Kevin Nguyen, Olivier Pascal+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2015

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 34被引用 59

一句话总结

本文提出了一种基于轨道角动量（OAM）波的射频系统渐近链路预算公式，建模了自由空间路径损耗及与OAM模态阶数相关的等效天线增益。通过Feko仿真验证，该模型显示信号强度按1/D^{2|l|+2}衰减，从而实现快速系统设计，并量化了OAM模态阶数、阵列半径与链路性能之间的权衡，适用于利用OAM正交性的多通道通信。

ABSTRACT

This paper addresses the RF link budget of a communication system using unusual waves carrying an orbital angular momentum (OAM) in order to clearly analyse the fundamental changes for telecommunication applications. The study is based on a typical configuration using circular array antennas to transmit and receive OAM waves. For any value of the OAM mode order, an original asymptotic formulation of the link budget is proposed in which equivalent antenna gains and free-space losses appear. The formulations are then validated with the results of a commercial electromagnetic simulation software. By this way, we also show how our formula can help to design a system capable of superimposing several channels on the same bandwidth and the same polarisation, based on the orthogonality of the OAM. Additional losses due to the use of this degree of freedom are notably clearly calculated to quantify the benefit and drawback according to the case.

研究动机与目标

• 开发一种基于OAM的射频通信系统的基础链路预算模型，以解决OAM波独特的传播特性。
• 通过等效天线增益和自由空间路径损耗，量化OAM模态阶数、阵列半径和距离对系统性能的影响。
• 通过电磁仿真对比理论公式，验证其在实际系统设计中的相关性。
• 评估在相同带宽和极化条件下，利用OAM模态正交性叠加多个OAM信道的可行性。
• 阐明在射频系统中引入OAM作为新自由度所带来的性能增益与损耗之间的权衡。

提出的方法

• 基于远场近似和OAM模态的正交性，推导OAM链路预算的渐近公式。
• 引入与阵列半径R、模态阶数l及阵元数量相关的等效OAM天线增益，基于圆形阵列的辐射图。
• 在Friis传输方程框架下进行应用，但对其进行了修改，以包含OAM特有的路径损耗标度1/D^{2|l|+2}。
• 通过Feko中的全波电磁仿真验证分析模型，包括通过S参数提取实现的互耦效应。
• 采用波束成形网络（BFN）模型模拟完整的传播信道矩阵，包含所有耦合效应。
• 对距离和阵列半径进行参数化仿真，以确认渐近行为并验证其设计实用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 OAM波的链路预算如何随距离变化？其是否如渐近理论预测的那样遵循1/D^{2|l|+2}依赖关系？
• RQ2 阵列半径和OAM模态阶数在决定有效天线增益和系统性能方面起什么作用？
• RQ3 在不引入干扰的前提下，OAM模态在相同频率和极化条件下可支持多大程度的多路复用？
• RQ4 与包含互耦效应的全电磁仿真相比，所提出的渐近公式准确度如何？
• RQ5 在大距离条件下，OAM通信的实际限制是什么？系统在何处仍具有可行性？

主要发现

• 在远场区域，链路预算表现出1/D^{2|l|+2}的衰减，仿真结果在超过Fraunhofer距离200λ后得到验证。
• 渐近公式在不同距离和阵列半径下与Feko仿真结果高度一致，验证了其准确性。
• 等效OAM天线增益随阵列半径R增大而增加，且对模态阶数l敏感，从而支持系统优化。
• 对于|l| > 0的OAM模态，信号强度在远距离迅速衰减，限制了其在长距离通信中的实际应用。
• 该模型通过隔离各参数对链路预算的影响，实现了OAM系统的快速预设计。
• 本研究证实，利用模态正交性，OAM可支持在相同带宽和极化条件下实现多通道通信，但需量化其带来的可测量附加损耗。